1、遼 寧 工 業 大 學計算機控制技術 課程設計(論文題目: 基于PID算法的烤煙房溫濕度控制系統設計 院(系: 電氣工程學院 課程設計(論文任務及評語院(系:電氣工程學院 教研室:自動化教研室 注:成績:平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算課程設計(論文題目基于PID 算法的烤煙房溫濕度控制系統設計 課程設計(論文任務課題完成的功能、設計任務及要求、技術參數 實現功能烤煙爐的溫度影響烤煙的質量,本設計采用單片機作為控制器,設計相應的輸入輸出通道,采用常規的PID 算法,對烤煙爐的溫濕度加以控制,能達到期望的質量標準。 兩位LED 動態顯示溫濕度值。 設計任務及要求 1、確定系統

2、設計方案,包括單片機的選擇,輸入輸出通道,鍵盤顯示電路; 2、建立被控對象的數學模型; 3、設計PID 算法的程序流程圖,給出程序清單; 4、仿真研究,驗證設計結果;5、撰寫、打印設計說明書一份;設計說明書應在4000字以上。技術參數溫度070;濕度小于2%RH進度計劃1、 布置任務,查閱資料,確定系統方案(1天2、 系統功能分析(1天3、 系統建模(1天4、 算法推導,程序設計(2天5、 仿真分析與研究(2天6、 撰寫、打印設計說明書(2天7、 答辯(1天 指導教師評語及成績平時: 論文質量: 答辯: 總成績: 指導教師簽字: 年 月 日 摘要我國是煙葉生產大國,年平均產量占全世界的三分之一

3、。中國所產煙葉以烤煙最為主要,占總產量的93%,我國目前每年的煙葉種植面積為二千多萬畝,有烤煙房幾百萬座。為保質量地抓好煙葉種植、生產,除煙種、土壤、水利、防蟲防害外,烤煙是非常關鍵的環節。俗話說,種煙容易烤煙難,烤煙技術一直困擾著廣大煙民。介紹了基于PID控制算法,單片機89C51的烤煙房溫濕度設計,整個系統由數據采集、數據調理、單片機和控制部分組成。引入了溫度傳感器AD590和濕度傳感器HS1101在烤煙方面的運用,采用該系統準確地檢測烤煙房內的溫濕度數據,PID控制算法有效地控制烤煙房內的溫濕度,提高了烤煙房內的控制水平和煙葉的烘烤質量,從而增加了煙農的收入。關鍵詞:烤煙房;溫濕度;PI

4、D算法;單片機 目錄第1章 緒論 (1第2章 課程設計的方案 (22.1概述 (22.2系統組成總體結構 (3第3章 主要器件及硬件電路設計 (43.1單片機 (43.2溫度傳感器AD590 (43.3濕度傳感器HS1101 (53.4步進電機驅動電路 (63.5鍵盤電路設計 (63.6LED顯示電路 (7第4章 軟件設計 (94.1主程序設計 (94.2控制算法程序 (104.3系統設計要求 (114.4系統控制算法原理及實現思想 (11第5章 系統測試與分析 (13第6章 課程設計總結 (14參考文獻 (15 第1章緒論目前煙草行業在世界各國的經濟中都占有非常重要的地位,其稅收是各國政府財

5、政收入的重要來源之一。提高煙葉質量的主要途徑除了煙葉品種優良化,就是烘烤的科學化。而在烤煙過程中,最重要的是控制烤煙房的溫度和濕度,烘烤過程當中的溫度會直接影響煙草的質量。文中將會介紹一套基于89C51的PID算法的溫濕度控制系統。其能夠明顯提高煙草的烘烤質量,減輕煙農勞動強度,并且還能夠實現自動實時檢測與控制,產生顯著的經濟效益和社會效益。煙葉四段式烘烤工藝分為變黃期、凋零期、定色干葉期、干筋期這四個階段,每個階段又包含若干個升溫子階段、恒溫子階段、恒濕子階段。四段式烘烤工藝流程如圖1.1所示。 圖1.1 煙葉烤制各個階段溫度示意圖煙葉烤制過程中,其熱源為燃煤鍋爐。鍋爐燃燒產生的熱空氣通過空

6、氣熱交換器管道及煙道排出。烤房由通風機實現強迫風循環,并從空氣熱交換器獲得熱量使風溫升高,從而使烤煙房溫度升高并得以保持。溫濕度傳感器測量干球溫度和濕球溫度。溫度控制主要通過風門電機控制,風門主要作用為補充新風。由于生煙葉含有大量水分,在烘烤過程中會蒸發至空氣中,使烤煙房內濕度增大,為此,通過補充外部干燥空氣降低濕度。溫度控制主要通過控制鼓風機的進風量來控制鍋爐燃燒程度,而加煤電機則控制進煤量。 第2章課程設計的方案2.1 概述煙葉烘烤是烤煙生產中決定品質和產量高低的關鍵環節,為了生產出高品質的煙草,要求烘烤房的溫度范圍在070,濕度小于2%RH。目前我國烤煙生產在烘烤過程中的供熱排濕主要依靠

7、操作人員的烘烤經驗,認為通過火力、天窗、地洞開啟的大小和氣流上升(下降的自然速度控制烤煙房的溫濕度,但存在著操作誤差大、反應不靈敏、預期結果滯后不足。因此改變過去烘烤中溫度、濕度的人工控制,準確地控制煙葉烘烤過程,達到烤煙全過程的只能監控是十分必要的。該系統是一種基于PID的煙葉烤房控制系統,提高了煙葉烘烤過程的準確性,解決操作誤差大等不足。如圖2.1烤煙房結構圖。 圖2.1 烤煙房結構圖 2.2 系統組成總體結構烤煙房控制系統主要由4部分組成:微處理器、溫濕度檢測電路、控制輸出電路。其結構如圖2.2所示。由溫濕度傳感器檢測烤煙房棚內問世度傳送至微處理器,處理器根據實際溫濕度與設定溫濕度比較,

8、經PID 預算得到相應的輸出量,由步進電機A 控制控火門的開度,來控制溫度;由步進電機B 控制風門的開度,來控制濕度。烤煙房的溫濕度分別以數字的方式顯示在液晶屏上,以便工作人員了解溫度、濕度值。圖2.2 烤煙房控制系統電路采用了單片機89C51為最小系統,溫度檢測采用了電流輸出型單片集成兩端感溫傳感器AD590,濕度檢測采用的是側面接觸封裝的電容是集成溫度傳感器HS1101。控制電路采用電機驅動電路,驅動步進電機來控制控火門及風門的開度,達到溫度與濕度的調節。另外采用了LED 顯示電路顯示溫度濕度,鍵盤電路控制系統的運行停止等。LED 顯示電路棚內溫度傳感器 微 處 理 器棚內濕度傳感器 鍵盤

9、電路驅 動 電 路步進電機A步進電機B 控火門風門 第3章主要器件及硬件電路設計3.1 單片機通過比較,選用MCS-51的89C51來構成系統。該芯片是由北京集成電路設計中心推出的8位CMOS單片機,具有4KB的EEPROM,使用高密度、非易失存儲技術制造。另外還具有256KB片內RAM,3個定時計數器,6個中斷源,無需進行系統擴展可滿足任務要求,能較大幅度提高系統的性價比。該芯片的最大特點就是片內的4KB程序存儲器可在線用編程器。 圖3.1 單片機89C51最小系統3.2 溫度傳感器AD590對于烤煙房內部溫度的檢測,系統采用美國模擬器件公司生產的電流輸出型單片集成兩端感溫傳感器AD590,

10、該傳感器利用PN結構正向電流與溫度的關系制成,測溫范圍為55+150。AD590溫度傳感器具有良好的線性和互換性,不但實現了溫度轉換為線性化電量測量,而且具有消除電源波動的特性、精確度高、互換性好、應用簡單方便。因此,可把輸出的電信號經A/D卡轉換為數字信 號,有計算機采集vi-t的數據,以發揮其實時和準確的特點。另外,該器件價格比較低廉,也完全能滿足煙葉烘烤各個階段的需要。 圖3.2 溫度傳感器AD5903.3 濕度傳感器HS1101烤煙房內部濕度的檢測,系統采用的是側面接觸封裝的電容是集成溫度傳感器HS1101。其測試濕度范圍是0%RH100%RH,電容量有162pF變到200pF,其誤差

11、不大于±2%RH,響應時間小于5s,溫度系數為0.04pF/。可見精度是較高的。HS1101電容傳感器在電路構成中等效于一個電容器件,其電容量隨著所測的空氣濕度的增大而增大。該器件具有不需要校準的完全互換性、高度可靠性、長期穩定性、快速響應和專利設計的固態聚合物結構,適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路。 圖3.3 濕度傳感器HS1101 3.4 步進電機驅動電路溫度控制主要通過步進電機調節控火門和風門的開度實現,該系統選用了常州寶來公司的4相步進電機,并使用步進電機驅動器ULN2003A,連接電路如圖2.3所示。ULN2003A是集成林頓管IC,內部還集成了一個消線圈反電動勢的二極

12、管,可用來驅動繼電器。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅動電壓為50V、電流為500mA、輸入電壓為5V,適用于TTL、CMOS電路等由達林頓管組成的驅動電路。它的輸出端允許通過電流為200mA,飽和壓降V_CE約為1V,而集電極與發射極的最高反向耐壓V_(CEO(BR約為36V。用戶輸出口的外接負載可根據以上參數估算。采用集電極開路輸出,輸出電流大,故可直接驅動繼電器或固體繼電器,也可直接驅動低壓燈泡。通常單片機驅動ULN2003A時,上拉2k的電阻較為合適,同時,COM引腳應該懸空或接電源。ULN2003A是一個非門電路,包含7個單元,但每個單元驅動電流最大可達350mA。下面有

13、引用電路圖,9引腳可以懸空。比如1腳輸入,16腳輸出,負載可以接在VCC與16腳間,不用9腳。 圖3.4 步進電機驅動電路3.5鍵盤電路設計鍵盤電路設計包括S1溫濕度選擇,溫度增加S2和溫度減小S3。如圖3.6所示。 圖3.5鍵盤電路設計3.6 LED顯示電路LED的驅動采用集電極開路輸出8為驅動器8717。并采用動態顯示、軟件譯碼的工作方式。顯示電路如圖3.7所示。 圖3.5 LED顯示電路設計 第4章 軟件設計4.1 主程序設計主程序設計總體采用循環結構,主要包含以下幾個模塊:系統初始化、中斷模塊、鍵盤模塊、數據采樣、模糊PID 算法模塊和控制量輸出模塊。系統初始化主要完成單片機初始化、L

14、ED 顯示初始化和系統外設檢測等;鍵盤模塊主要完成鍵盤掃描、系統設置和工藝設置等;中斷模塊指定時器中斷,中斷程序設置主要輸入輸出量標志,如溫度濕度檢測、步進電機控制、循環風機控制等,被設置的標志在主循環中調用子程序執行。主程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1 主程序流程執行機構輸出結束報警烘烤完成?開 始系統初始化鍵盤掃描子程序數據采樣及顯示PID 運算是否 4.2 控制算法程序(1獲取系統初始PID 參數 (2運用模糊控制理論調節PID 參數 (3通過PID 算式計算控制量輸出采用繼電整定方法獲取系統初始PID 參數,通過試驗和專家經驗獲得模糊控制表,同時采用積分分離算法避免了積分飽和問題。如

15、圖所示PID 算法流程圖。圖4.2 PID 算法程序流程PID 運算計算當前 、 、限幅輸出控制值u(kPID 入口取采樣當前值計算e (k , ( e (k , ( 模糊化查表得 、 、u (k 1=u (k ,e (k 1=e(k返回 控制模糊PID算法流程圖如圖4.2所示。e(k、e(k1分別為當前誤差和上次采樣樣誤差e(k=r(ky(k, ( =e(ke(k1,其中y(k是當前溫度采樣值,r(k為當前溫度設定值, (k為當前誤差變化率,u(k是此次PID運算結果, 、 、 分別為修正后的PID控制比例、積分和微分系數。4.3系統設計要求主設計要求:能檢測并顯示煙葉烤房內的溫度和濕度,烤

16、煙房內溫度控制在070,濕度要求小于2%RH;系統具有專家工藝儲存功能,控制科根據專家曲線自動運行,也可以人工設定運行;系統能根據溫濕度控制要求只能啟停循環風機和風門;采用單片機控制器,設計相應的輸入輸出通道,采用模糊PID算法,兩位LED動態顯示溫濕度值。系統穩定,能適應較大程度的電網電壓波動,操作簡便,易于使用。4.4系統控制算法原理及實現思想由于烤煙房是典型的大延遲,非線性系統,一般的PID控制不能達到溫濕度控制要求,該系統采用了模糊控制與PID形結合的模糊PID控制算法,該算法是一種在常規PID調節器及其繼電整定的基礎上,應用模糊集合理論,根據控制偏差e和偏差變化率 ,在線自動整定比例

17、系數K P、積分系數K I和微分系數K D(PID的復合控制器,其結構如圖4.3。 圖4.3 模糊PID控制器結構該控制器由基本PID控制器、繼電器環節和校正PID參數的模糊控制器3部分組成。PID控制器完成控制算法,計算出輸出控制量;繼電環節實現PID控制本科生課程設計（論文） 第5章 系統測試與分析 Simulink 模型的建立圖 5.1 圖 5.1 Simulink 模型 子系統如圖 5-2 圖 5.2 子系統 Simulink 模型 得到仿真結果 圖 5.3 仿真結果 13 本科生課程設計（論文） 第6章 課程設計總結 該系統基于 PID 控制算法， 單片機 89C51 的烤煙房溫濕度微型計算機系統軟 硬件設計，整個系統由數據采集、數據調理、單片機和控制部分組成。引入了溫 度傳感器 AD590 和濕度傳感器 HS1101 在烤煙方面的運用，采用該系統準確地檢 測烤煙房內的溫濕度數據。該系統具有自適應只能控制能力，解決了普通控制算 法在烤煙房溫濕度控制中的缺陷，提高了煙葉烤房溫濕度的控制精度。顯示屏的 使用，是的工作人員對整個烘